Fundamentos de Geología: Estructura Terrestre, Tectónica de Placas y Mineralogía

1. Origen del Universo, la Tierra y Métodos de Estudio

El Universo tiene una antigüedad aproximada de 15.000 millones de años. Una galaxia es una reunión de miles de millones de estrellas. Los sistemas solares están constituidos por una estrella con cuerpos orbitando a su alrededor, con una edad estimada de 5.000 millones de años. La Tierra cuenta con aproximadamente 4.500 millones de años y un radio de unos 6.500 km.

Métodos gravimétricos

• Gradiente: Aumento o disminución paulatino de una magnitud física.
• Gradiente geotérmico: Aumento paulatino de la temperatura a medida que se profundiza en el interior terrestre.

Métodos sísmicos

Un seísmo o terremoto es una liberación muy brusca de energía que se transmite desde la fractura o falla a través de ondas sísmicas en todas las direcciones.

Tipos de ondas sísmicas en profundidad

• Ondas primarias (P): Son las más rápidas, llegan en primer lugar y atraviesan todos los medios (sólidos y fluidos).
• Ondas secundarias (S): Son más lentas, llegan después y no atraviesan medios fluidos.

Estructura interna y discontinuidades sísmicas

• Manto: De 0 a 2.900-3.000 km de profundidad.
• Núcleo externo: De 2.900-3.000 a 5.150 km.
• Núcleo interno: Desde 5.150 km en adelante.
• Discontinuidad de Mohorovičić: Separa la corteza del manto (0 a unos 60 km).
• Discontinuidad de Gutenberg: Separa el manto del núcleo externo (aproximadamente a 2.900 km).
• Discontinuidad de Wiechert-Lehmann: Separa el núcleo externo del núcleo interno (a unos 5.150 km).

Las discontinuidades son cambios bruscos en la velocidad o en la dirección de propagación de las ondas sísmicas, relacionados con cambios en la composición material, la densidad o el estado físico.

Modelos de la estructura terrestre

• Modelo geoquímico o estructural: Estudia la Tierra en función de su composición química y mineralógica.
• Modelo dinámico: Estudia el comportamiento mecánico y reológico de los materiales terrestres.
• Manto superior y corteza: Formados por silicatos de familias distintas que se comportan de forma similar.

2. Tectónica de Placas y Deriva Continental

Pruebas de la deriva continental

• Pruebas geológicas: Coincidencia morfológica y estructural en los límites de los continentes que indica su encaje en épocas pasadas.
• Pruebas paleoclimáticas: Evidencias de climas antiguos en zonas no concordantes con la actualidad, como restos de plantas tropicales en regiones polares o frías, y líneas de erosión glaciar por desplazamiento de casquetes en zonas hoy templadas o tropicales.
• Pruebas paleontológicas: Presencia de fósiles idénticos de especies que no podían cruzar grandes océanos en continentes separados.
• Pruebas paleomagnéticas: Registro de las variaciones y cambios de polaridad del campo magnético terrestre a través del tiempo geológico conservado en rocas magnetizadas de forma natural.

Pruebas de la expansión del fondo oceánico

• Antigüedad de los materiales del fondo: La edad aumenta simétricamente desde la dorsal central hacia las costas. Los materiales más recientes se ubican en la zona dorsal.
• Capa de sedimentos no detríticos: Se depositan a un ritmo constante en el océano; su espesor es mayor cerca de las costas y menor o casi nulo cerca del eje de la dorsal.
• Paleomagnetismo: Los cristales de magnetita se orientan según las líneas del campo magnético terrestre durante el enfriamiento del magma; una vez consolidada la roca, quedan fijos.
• Comparación de edades continental y oceánica: Los materiales continentales pueden llegar a ser muy antiguos, mientras que las rocas de las cuencas oceánicas son geológicamente jóvenes. Los fondos oceánicos se crean y destruyen continuamente, mientras los continentes permanecen en superficie.

Dinámica litosférica

Las placas litosféricas son grandes fragmentos rígidos de la litosfera que se desplazan unos respecto a otros sobre la astenosfera.

Límites de placa

• Límites constructivos o divergentes: Donde se genera nueva litosfera oceánica (dorsales oceánicas).
• Límites destructivos o convergentes: Choque entre placas con subducción o colisión (océano-continente, océano-océano, continente-continente).
• Límites conservativos o pasivos: Desplazamiento lateral sin creación ni destrucción de corteza (fallas transformantes).

El Ciclo de Wilson

1. Etapa A: Una pluma de magma asciende desde el manto e impacta contra una masa continental.
2. Etapa B: Se produce una extensión y fracturación del terreno con formación de un valle de rift y lagos alargados.
3. Etapa C: El valle de rift se ensancha hasta convertirse en un océano incipiente o mar estrecho.
4. Etapa D: El océano continúa abriéndose y en el centro se consolida una dorsal mediooceánica con bordes continentales pasivos.
5. Etapa E: A medida que la litosfera oceánica se enfría y acumula sedimentos, aumenta de densidad. Se produce una fractura en el margen continental formándose una nueva zona de subducción y pasando a ser un océano con bordes activos.
6. Etapa F: Se consume la corteza oceánica y colisionan las masas continentales (obducción/colisión), cerrando el océano y formando una cordillera intracontinental.

Los puntos calientes (hotspots) son afloramientos de magma fijos y profundos que ascienden hacia la litosfera; a medida que las placas se mueven sobre ellos, dan lugar a cadenas de volcanes alineados o archipiélagos.

3. Geología Estructural y Deformación de las Rocas

La tectónica es la rama de la geología que estudia las deformaciones de los materiales de la corteza.

Comportamiento mecánico de los materiales

• Elástico: El cuerpo recupera su forma original cuando cesa el esfuerzo.
• Plástico: Deformación permanente sin rotura; da origen a pliegues.
• Frágil: Superado el límite de elasticidad y plasticidad, el material se fractura dando lugar a diaclasas o fallas.

Pliegues

Son deformaciones plásticas continuas producidas por esfuerzos tectónicos.

Clasificación según la antigüedad de los materiales

• Anticlinal: Presenta los materiales más antiguos en el núcleo de la estructura.
• Sinclinal: Presenta los materiales más modernos en el núcleo.

Clasificación según la inclinación del plano axial

• Pliegue recto: El plano axial es perpendicular a la línea del horizonte (90º).
• Pliegue inclinado: El plano axial presenta un ángulo menor a 90º respecto a la horizontal.
• Pliegue tumbado: El plano axial es prácticamente paralelo a la horizontal.

Elementos de un pliegue

• Charnela: Zona de máxima curvatura donde las capas cambian de orientación. La línea de charnela une todos estos puntos.
• Flancos: Cada uno de los laterales del pliegue que convergen en la charnela.
• Plano axial: Plano imaginario que une las líneas de charnela de los diferentes estratos.
• Ángulo de buzamiento: Ángulo de inclinación que forma cada estrato o flanco respecto a la horizontal.

Asociaciones de pliegues

• Anticlinorio: Gran estructura anticlinal compuesta por una serie de pliegues menores.
• Sinclinorio: Gran estructura sinclinal compuesta por múltiples pliegues subordinados.

Fracturas: Diaclasas y Fallas

Roturas que ocurren cuando los materiales superan su límite de resistencia ante esfuerzos mecánicos.

• Diaclasas: Fracturas en las rocas sin desplazamiento relativo de los bloques; comúnmente originadas por esfuerzos de distensión o enfriamiento.
• Fallas: Fracturas de la corteza con desplazamiento evidente de un bloque respecto al otro.

Elementos y cinemática de las fallas

• Buzamiento: Ángulo que forma el plano de falla respecto a la horizontal.
• Salto de falla: Distancia y dirección neta de separación entre dos puntos que originalmente estaban unidos, descomponible en tres componentes espaciales.

Tipos principales de fallas

• Falla directa o normal: Originada por distensión (alargamiento de la corteza). El bloque superior desciende respecto al inferior. No superpone estratos antiguos sobre modernos.
• Falla inversa: Originada por compresión (acortamiento de la corteza). El bloque superior asciende sobre el inferior, pudiendo situar materiales antiguos sobre estratos más jóvenes.
• Falla vertical: El movimiento relativo es estrictamente vertical sin desplazamiento horizontal neto.
• Falla de desgarre o longitudinal: Producida por esfuerzos de cizalla; el movimiento de los bloques es predominantemente horizontal.
• Falla rotacional o en tijera: Los bloques pivotan sobre un eje, provocando que un sector ascienda mientras el opuesto desciende.

Estructuras asociadas y movimientos orogénicos

• Horst o pilar tectónico: Bloque elevado delimitado por fallas normales divergentes.
• Graben o fosa tectónica: Bloque hundido entre sistemas de fallas normales paralelas.
• Manto de corrimiento: Estructura producida por esfuerzos compresivos intensos donde un pliegue tumbado se fractura, cabalgando una gran masa rocosa sobre el terreno adyacente.
• Movimientos orogénicos: Procesos tectónicos compresivos causantes del levantamiento de grandes cadenas montañosas.

4. Mineralogía y Cristalografía

Concepto y características de un mineral

Un mineral es una sustancia natural, inorgánica y sólida a temperatura ambiente, homogénea químicamente y con una estructura cristalina ordenada.

Estructura de la materia mineral

• Estructura amorfa: Sin ordenamiento periódico en sus constituyentes internos en ninguna dirección del espacio.
• Estructura cristalina: Con ordenamiento atómico interno regular, aunque externamente no desarrolle caras poliédricas definidas.
• Estructura cristalizada: La ordenación interna atómica se manifiesta exteriormente formando poliedros regulares geométricos denominados cristales.

Condiciones para la cristalización

• Tranquilidad: Entorno físico-químico estable.
• Tiempo: Proceso lento para permitir el correcto ensamblaje atómico.
• Núcleos de cristalización: Centros o partículas guía sobre los cuales se ordenan los átomos.
• Espacio: Espacio libre suficiente para el desarrollo volumétrico de las caras del cristal.

Mecanismos de formación

• Desde fase gaseosa: Por sublimación regresiva en gases volcánicos o hidrotermales.
• Desde fase líquida: Por enfriamiento lento o rápido de magmas, o por precipitación y evaporación en disoluciones salinas.
• Desde fase sólida: Por recristalización en estado sólido ante nuevas condiciones de presión y temperatura (metamorfismo).

Elementos de simetría en cristales

• Eje de simetría: Línea imaginaria sobre la cual gira el cristal repitiendo su aspecto exterior un número entero de veces (binario: 2; ternario: 3; cuaternario: 4; senario: 6).
• Plano de simetría: Plano imaginario que divide el cristal en dos mitades simétricas especulares.
• Centro de simetría: Punto interior por el cual cualquier recta trazada a su través corta elementos geométricos homólogos a distancias iguales.

Fenómenos cristalinos relacionados:

• Polimorfismo: Misma composición química pero diferente estructura cristalina según las condiciones de presión y temperatura (ej. diamante y grafito).
• Isomorfismo: Composiciones químicas distintas que presentan una misma red cristalina (ej. serie de las plagioclasas).

Propiedades físicas y diagnósticas de los minerales

• Dureza: Resistencia que opone una superficie mineral a ser rayada o arrancada. Se mide con la Escala de Mohs (10 minerales patrón numerados del 1 al 10).
• Tenacidad: Resistencia a la rotura, trituración o deformación plástica.
• Fractura: Forma irregular en la que rompe un mineral sin seguir planos preferenciales definidos.
• Exfoliación: Capacidad de romperse a favor de planos atómicos débiles generando caras planas y paralelas.
• Peso específico o densidad relativa: Relación entre el peso de un volumen de mineral y el peso del mismo volumen de agua pura a 4 °C (adimensional). La densidad se expresa comúnmente en g/cm³ o kg/m³.
• Color: Resultado de la absorción, reflexión y refracción selectiva de longitudes de onda lumínicas.
• Color de la raya: Color del polvo fino obtenido al raspar el mineral contra una placa de porcelana porosa; suele ser constante e independiente de las impurezas superficiales.
• Punto de fusión: Temperatura a la cual la red cristalina se desestabiliza transformándose en estado líquido.
• Refrigencia: Modo de propagación de la luz (monorrefringente si la velocidad es uniforme en todas las direcciones o birrefringente si varía según la dirección cristalográfica).
• Luminiscencia y fosforescencia: Propiedad de emitir luz al ser excitado; es fosforescencia cuando la emisión continúa tras cesar la fuente de excitación.
• Magnetismo: Capacidad de atraer partículas ferrosas o ser atraído por un imán.

Clasificación mineralógica principal

Minerales no silicatos

• Elementos nativos: Formados por un único elemento químico en estado puro (ej. oro, azufre, cobre).
• Haluros: Combinaciones de halógenos con un metal (ej. halita, fluorita).
• Sulfuros: Combinaciones de azufre con elementos metálicos o semimetálicos (ej. pirita, galena).
• Carbonatos: Minerales que contienen el grupo carbonato (CO₃²⁻) enlazado a cationes metálicos (ej. calcita, dolomita).
• Óxidos e hidróxidos: Compuestos formados por oxígeno o aniones hidroxilo (OH⁻) combinados con metales.

Silicatos

Constituyen el grupo mineral más abundante de la corteza terrestre. Su unidad estructural básica es el tetraedro de silicio-oxígeno ([SiO₄]⁴⁻), donde un catión de silicio tetravalente está coordinado con cuatro aniones de oxígeno.